JP7486457B2 - 半導体圧力センサ及び半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、半導体圧力センサ及び半導体圧力センサの製造方法に関する。
例えば特許文献１のように、金属からなる圧力センサが提案されている。また例えば特許文献２のように半導体からなる半導体圧力センサが提案されている。
半導体圧力センサによって、水素ガスなどの浸透性が高い透過ガスの圧力を検出する場合、透過ガスが半導体圧力センサの内部に浸透して、半導体圧力センサの特性が変動することがあった。
そこで、本開示は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体圧力センサの特性の変動を抑制可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体圧力センサは、第１凹部を有する第１シリコン基板と、前記第１凹部内の第１空間を覆うダイアフラムを有し、前記第１空間を密閉する第２シリコン基板と、前記ダイアフラムの変形量を電気特性で出力するゲージ抵抗とを備え、断面視において、複数の第２空間が、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板との間に前記第１空間と離間された状態で密閉され、前記第１空間の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設けられている。平面視において、前記複数の第２空間は、前記第１空間を中心とする同心円状に配置され、前記複数の第２空間のそれぞれは、前記同心円状の周方向に沿って断続的に配置され、第１円における前記複数の第２空間の断続部分と、前記第１円と隣り合う第２円における前記複数の第２空間の断続部分とは、前記周方向に沿って交互に配置されている。
本開示によれば、断面視において、複数の第２空間が、第１シリコン基板と第２シリコン基板との間に第１空間と離間された状態で密閉され、第１空間の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設けられている。このような構成によれば、半導体圧力センサの特性の変動を抑制することができる。
以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置及び方向は、実際の実施時の位置及び方向とは必ず一致しなくてもよい。また、ある部分が別部分よりも濃度が高いことは、例えば、ある部分の濃度の平均が、別部分の濃度の平均よりも高いことを意味するものとする。逆に、ある部分が別部分よりも濃度が低いことは、例えば、ある部分の濃度の平均が、別部分の濃度の平均よりも低いことを意味するものとする。
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサの構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。半導体圧力センサは、図２に示すように、第２シリコン基板１８の上面に印加される外部圧力Ｐ１と、真空室である圧力基準室１５内の真空圧力ＰＳとの圧力差により変形するダイアフラム１８ａを有する。そして、半導体圧力センサは、ダイアフラム１８ａの変形量に対応する電気信号を出力する、つまりダイアフラム１８ａの変形量を電気特性で出力するゲージ抵抗１０を有する。
図１は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサの構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。半導体圧力センサは、図２に示すように、第２シリコン基板１８の上面に印加される外部圧力Ｐ１と、真空室である圧力基準室１５内の真空圧力ＰＳとの圧力差により変形するダイアフラム１８ａを有する。そして、半導体圧力センサは、ダイアフラム１８ａの変形量に対応する電気信号を出力する、つまりダイアフラム１８ａの変形量を電気特性で出力するゲージ抵抗１０を有する。
本実施の形態１に係る半導体圧力センサは、主に、ゲージ抵抗１０と、シリコン酸化膜である第１シリコン酸化膜１６と、第１シリコン基板１７と、第２シリコン基板１８とを備える。以下、これらの構成要素と、それらに付随する構成要素について説明する。
第１シリコン基板１７は、第１導電型（ｎ型）または第２導電型（ｐ型）のいずれかの導電型を有する。第１シリコン基板１７は、ある程度の強度を要するベースのシリコン基板であるため、例えば２００～９００μｍ程度の厚みを有する。
第２シリコン基板１８は、第１導電型（ｎ型）の導電型を有する。第２シリコン基板１８の一部は変形可能なダイアフラム１８ａとなるため、第２シリコン基板１８は、例えば５～３０μｍ程度の厚みを有する。
図２に示すように、第１シリコン酸化膜１６は、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とに接続され、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とを接合する。第１シリコン酸化膜１６は、例えば０．１～５μｍ程度の厚みを有する。
第１シリコン基板１７は、第１凹部を有しており、この第１凹部内の第１空間が第２シリコン基板１８によって密閉されることによって、第１空間に対応する圧力基準室１５が設けられている。
図３は、図２の左端部を拡大した断面図であり、図４は、図３の断面構成を模式的に示す断面図である。図３及び図４に示すように、第１シリコン基板１７は、複数の第２空間を囲む複数の第２凹部を有している。断面視において、当該複数の第２空間が、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間に圧力基準室１５と離間された状態で密閉されることによって、複数の第２空間に対応する複数の透過ガス滞留室１４が設けられている。
なお図３の例では、複数の透過ガス滞留室１４は、圧力基準室１５の右端側にも左端側にも設けられているが、これに限ったものではなく、圧力基準室１５の右端側及び左端側のいずれかに設けられてもよい。また図３及び図４の例では、第１シリコン酸化膜１６は、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間だけでなく、複数の透過ガス滞留室１４の側面及び底面にも設けられている。
図１では、複数の透過ガス滞留室１４が図面の都合上、太線で図示されている。図１の平面視の例では、複数の透過ガス滞留室１４は、圧力基準室１５を中心とする同心円状に配置されており、複数の透過ガス滞留室１４のそれぞれは同心円状の周方向に沿って切れ目なく延設されている。
第２シリコン基板１８のうち圧力基準室１５を覆う部分は、ダイアフラム１８ａとなる。具体的には、第１シリコン基板１７の第１凹部はキャビティであり、第２シリコン基板１８のうちのキャビティ上の部分が、ダイアフラム１８ａとなる。ダイアフラム１８ａの上面に印加される外部圧力Ｐ１と、真空室である圧力基準室１５内の真空圧力ＰＳとの差である圧力差（Ｐ１－ＰＳ）の分だけ、ダイアフラム１８ａは変形する。ダイアフラム１８ａの上面に印加される圧力は、圧力基準室１５内の圧力よりも高いため、ダイアフラム１８ａは第１シリコン基板１７側に突出するように変形する。
第１導電型（ｎ型）の第２シリコン基板１８のダイアフラム１８ａの上面には、例えばイオン注入などによって、第２導電型（ｐ型）のゲージ抵抗１０が配置されている。図１の例では、４つのゲージ抵抗１０が、ダイアフラム１８ａの４辺にそれぞれ配置されている。ゲージ抵抗１０は、ゲージ抵抗１０と同じ導電型を有する拡散配線１１と結線されている。図１の例では、４つのゲージ抵抗１０の一端及び他端が、４つの拡散配線１１のうちの２つの組み合わせと重複することなく結線されることにより、ホイートストンブリッジが構成されている。
ダイアフラム１８ａに配置されたゲージ抵抗１０には、上記圧力差（Ｐ１－ＰＳ）で変形するダイアフラム１８ａから、ダイアフラム１８ａの変形量に応じた応力が加わる。加わる応力の大きさに対応して、ゲージ抵抗１０の抵抗値が変化するため、ゲージ抵抗１０をホイートストンブリッジに結線することで、半導体圧力センサは、ゲージ抵抗１０の抵抗値変化、ひいては、圧力差（Ｐ１－ＰＳ）を示す出力電圧を生成する。出力電圧は、各拡散配線１１に配置された電極１２から外部に伝達される。
なお、以上の説明では、第２シリコン基板１８が第１導電型（ｎ型）を有し、ゲージ抵抗１０が第２導電型（ｐ型）を有する例について説明したが、第２シリコン基板１８が第２導電型（ｐ型）を有し、ゲージ抵抗１０が第１導電型（ｎ型）を有してもよい。ただしこの場合には、ダイアフラム１８ａ内のゲージ抵抗１０の配置位置を、図１の配置位置から変更する必要がある。
ダイアフラム１８ａに発生する応力による拡散配線１１の抵抗値の変化は小さいことが好ましく、また、拡散配線１１がゲージ抵抗１０をホイートストンブリッジ結線する配線として使用されることから、拡散配線１１は低抵抗にする必要がある。このため、拡散配線１１の不純物の拡散表面濃度は、例えば１ｅ１９～１ｅ２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度に設定され、その拡散深さは、例えば２～５μｍ程度に設定される。
一方、ダイアフラム１８ａに発生する応力によるゲージ抵抗１０の抵抗値の変化は大きいことが好ましい。このことと、それぞれの温度特性の兼ね合いとから、ゲージ抵抗１０の不純物の拡散表面濃度は、例えば５ｅ１７～５ｅ１８ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度に設定され、その拡散深さは、例えば０．５～１．５μｍ程度に設定される。
ダイアフラム１８ａ上には、第２シリコン酸化膜１９及び保護膜２０が、この順に設けられている。
次に、ダイアフラム１８ａの圧力差（Ｐ１－ＰＳ）の検出について説明する。第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とが貼り合わされることで、第１シリコン基板１７の中央、つまり圧力センサチップの中央に設けられた第１凹部から、真空室である圧力基準室１５が形成される。この圧力基準室１５内の圧力は真空圧力ＰＳであり、ダイアフラム１８ａの上面に印加される外部圧力Ｐ１に対する基準圧力となる。これにより、この半導体圧力センサは絶対圧センサとして機能する。
第１凹部を有する第１シリコン基板１７が、第１シリコン酸化膜１６を介して第２シリコン基板１８と貼り合わされて接合されることで、キャビティＳＯＩ基板が形成される。第１凹部であるキャビティが圧力基準室１５を形成し、第２シリコン基板１８のうち圧力基準室１５上の部分がダイアフラム１８ａとなることで、半導体圧力センサは、外部圧力Ｐ１と真空圧力ＰＳとの圧力差（Ｐ１－ＰＳ）を検出する可能となっている。
なお、圧力変化に対する検出感度は、第２シリコン基板１８の厚みで設定可能なダイアフラム１８ａ厚みと、第１シリコン基板１７の第１凹部の平面視での面積、つまりキャビティ上のダイアフラム１８ａの面積とによって制御可能である。
次に、圧力センサチップ外周部に配置された透過ガス滞留室１４について説明する。外部圧力Ｐ１は、ダイアフラム１８ａだけではなく、半導体圧力センサのチップ全体に印加される。このため、特に水素ガスのような浸透性が高い透過ガスの圧力検出では、透過した水素ガスが、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間を通って圧力基準室１５まで浸透して基準圧力を変動させることがある。この場合、半導体圧力センサの特性に変動を引き起こすことがある。
この圧力基準室１５への水素ガスの透過について詳しく説明する。まず、図３及び図４に示すように、（ｉ）水素がガス相から第１シリコン酸化膜１６の露出部１６ａへ吸着する。次に、（ｉｉ）吸着状態の水素は、第１シリコン酸化膜１６中に吸収され、固溶状態での移動が可能となり、（ｉｉｉ）圧力基準室１５に到達すると固溶状態となった原子が吸着状態へ戻り、（ｉｖ）吸着状態からガス相へ戻る。これにより、圧力基準室１５に水素ガスが侵入し、半導体圧力センサの特性が変動する。なお、第１シリコン基板１７及び第２シリコン基板１８における透過ガスの透過は、第１シリコン酸化膜１６における透過ガスの透過に比べて十分に遅いので問題は生じない。
以上のことに鑑みて本実施の形態１では、断面視において、複数の透過ガス滞留室１４が、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間に圧力基準室１５と離間された状態で設けられている。このような構成によれば、上記（ｉ）～（ｉｖ）の過程を、半導体圧力センサに配置した透過ガス滞留室１４の分だけ繰り返すことなる。このため、水素の透過速度を実質的に遅くすることが可能になる。
また、水素の透過速度は、上記圧力差（Ｐ１－ＰＳ）に比例する。最も外側の透過ガス滞留室１４ａの元々の圧力、及び、２番目に外側の透過ガス滞留室１４ｂの元々の圧力は、圧力基準室１５の圧力と同様に真空圧力ＰＳである。最も外側の透過ガス滞留室１４ａの圧力は、露出部１６ａからの浸透により上昇するが、外部圧力Ｐ１と同じになるまでに時間を要する。このため、この観点からも、最も外側の透過ガス滞留室１４ａから２番目に外側の透過ガス滞留室１４ｂへの水素の透過速度は遅くなる。
以上により、水素ガスなどの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができるので、透過ガスに対する半導体圧力センサの信頼性を高めることができる。なお、水素ガス浸透による特性変動を抑制するために、単純に圧力基準室１５から露出部１６ａまでの距離を長くする構成が考えられるが、この構成ではチップサイズが拡大してしまう。これに対して、本実施の形態１の構成によれば、チップサイズの拡大を抑制することができ、それによるコストの上昇を抑制することができる。
最も外側の透過ガス滞留室１４ａは、例えば露出部１６ａから３０μｍ以上離間した位置に配置される。また、透過ガス滞留室１４の幅は、互いに同一であってもよいし互いに異なっていてもよく、例えば数１０μｍ以下の幅に設定される。透過ガス滞留室１４の幅を大きくすれば、水素ガス浸透によって透過ガス滞留室１４の圧力が真空圧力ＰＳから外部圧力Ｐ１になるまでの速度は抑えることができるが、チップサイズが大きくなる。このためチップサイズの拡大を抑制する場合には、透過ガス滞留室１４の幅は数μｍとして、その深さを例えば５０～４００μ程度にするなどして、透過ガス滞留室１４の下端が、圧力基準室１５の下端よりも下方に位置することが好ましい。
なお、図１の例では、複数の透過ガス滞留室１４のそれぞれは同心円状の周方向に沿って切れ目なく延設されたが、これに限ったものではない。例えば図５に示すように、複数の透過ガス滞留室１４のそれぞれは、同心円状の周方向に沿って断続的に配置されてもよい。そして、同心円のうち第１円における複数の透過ガス滞留室１４の断続部分と、第１円と隣り合う第２円における複数の透過ガス滞留室１４の断続部分とは、周方向に沿って交互に配置されてもよい。つまり、複数の透過ガス滞留室１４の断続部分が段違い格子状に配置されてもよい。なお、図５のＡ－Ａ線に沿った断面図は、図２及び図３と同様である。
図５のような構成によれば、第１シリコン酸化膜１６の露出部１６ａから圧力基準室１５までの間に、ガス透過経路となる第１シリコン酸化膜１６が連続的に繋がっている部分が存在してしまうことになる。しかしながら、透過ガス滞留室１４によって、露出部１６ａから圧力基準室１５までの第１シリコン酸化膜１６を辿った経路が長くなっているため、水素ガスなどの透過ガスが、圧力基準室１５に浸透することを抑制することができる。また、第１シリコン酸化膜１６による第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との接合面積を大きくすることができるため、接合強度を維持することができる。
次に、断面視において、複数の透過ガス滞留室１４の構成の別例について説明する。
図６は、図２と同様の断面図であり、図７は、図６の断面構成を模式的に示す、図４と同様の断面図である。図６及び図７の例では、図２及び図４の例と異なり、第１シリコン酸化膜１６は、複数の透過ガス滞留室１４の側面及び底面に設けられずに、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との接合部にのみ設けられている。このような構成によれば、ガス透過経路となる第１シリコン酸化膜１６が分断されるため、水素ガスなどの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができる。
図８は、図２と同様の断面図であり、図９は、図８の断面構成を模式的に示す、図４と同様の断面図である。図８及び図９の例では、図２及び図４の例と異なり、第１シリコン基板１７は複数の第２凹部を有しておらず、第１シリコン酸化膜１６が、複数の第２空間を囲む穴を有することによって、複数の透過ガス滞留室１４が設けられている。このような構成によれば、ガス透過経路となる第１シリコン酸化膜１６が分断されるため、水素ガスなどの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができる。
図１０は、図２と同様の断面図であり、図１１は、図１０の断面構成を模式的に示す、図４と同様の断面図である。図１０及び図１１の例では、図２及び図４の例と異なり、第１シリコン酸化膜１６が設けられておらず、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とは互いに直接接合されている。このような構成によれば、後述するように製造方法が多少難化するが、ガス透過経路となる第１シリコン酸化膜１６が存在しないため、水素ガスなどの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができる。
＜製造方法＞
図１２は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。図１３、図１８、図２０及び図２３は、半導体圧力センサの製造段階を示す平面図である。図１４、図１６、図１７、図１９、図２１、図２２及び図２４は、半導体圧力センサの製造段階を示す断面図であり、図１５は半導体圧力センサの製造段階の一部を模式的に示す断面図である。以下、図１～図４の半導体圧力センサの製造方法について主に説明し、図６～図１２の半導体圧力センサの製造方法については適宜説明する。
図１２は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。図１３、図１８、図２０及び図２３は、半導体圧力センサの製造段階を示す平面図である。図１４、図１６、図１７、図１９、図２１、図２２及び図２４は、半導体圧力センサの製造段階を示す断面図であり、図１５は半導体圧力センサの製造段階の一部を模式的に示す断面図である。以下、図１～図４の半導体圧力センサの製造方法について主に説明し、図６～図１２の半導体圧力センサの製造方法については適宜説明する。
まず、図１３～図１５に示すように、第１シリコン基板１７上にエッチングマスク４２となるシリコン酸化膜を形成する。例えば、第１シリコン基板１７を酸素雰囲気中で７００～１１００℃程度で加熱し、第１シリコン基板１７の表面をシリコン酸化膜に改質させることによって、エッチングマスク４２となるシリコン酸化膜を形成する。
次に、写真製版処理及びエッチング処理を施すことにより、第１凹部であるキャビティ４０と、複数の第２凹部である複数のグルーブ４１とを第１シリコン基板１７に形成する（図１２のステップＳ１参照）。後工程で第２シリコン基板１８を貼り合わせることで、第１凹部であるキャビティ４０は圧力基準室１５を形成し、第２凹部であるグルーブ４１は透過ガス滞留室１４を形成する。
なお以上の説明では、エッチングマスク４２はシリコン酸化膜であるとしたが、例えば金属膜などのようにその他の膜であってもよい。または、成膜せずに写真製版処理したフォトレジスト膜をそのままエッチングマスク４２として用いてもよい。
以上の説明では、キャビティ４０及びグルーブ４１は、同時に写真製版処理及びエッチング処理を施しているため、それぞれの開口面積に応じたエッチング深さを有することになる。キャビティ４０の深さを指定してエッチングすると、グルーブ４１の開口面積は、キャビティ４０の開口面積よりも小さいため、グルーブ４１の深さは、キャビティ４０の深さよりも浅くなる。なお、キャビティ４０の深さは例えば１０～３００μｍ程度である。
グルーブ４１を所望の深さにする場合は、キャビティ４０及びグルーブ４１の写真製版処理及びエッチング処理を、キャビティ４０とグルーブ４１とで分けて形成してもよい。例えば、図１６に示すように開口幅の小さいグルーブ４１を形成した後に、図１７に示すようにキャビティ４０を形成してもよい。以下、この製造方法について説明する。
図１６に示すように、第１シリコン基板１７に、エッチングマスク４２となるシリコン酸化膜などの膜を形成する。次に、写真製版処理及びエッチング処理を施すことにより、第２凹部であるグルーブ４１を形成する。後工程で、第２シリコン基板１８が第１シリコン基板１７に貼り合わされることで、グルーブ４１は透過ガス滞留室１４を形成する。ここで、グルーブ４１のエッチング深さは、透過ガス滞留室１４に求められるガス透過抑制能力に基づいて設定される。グルーブ４１のエッチング深さは、例えば５０～３００μｍ程度である。
それから、図１７に示すように、第１シリコン基板１７に、エッチングマスク４３となるシリコン酸化膜などの膜を形成する。次に、写真製版処理及びエッチング処理を施すことにより、第１凹部であるキャビティ４０を形成する。後工程で、第２シリコン基板１８が第１シリコン基板１７に貼り合わされることで、キャビティ４０は圧力基準室１５を形成する。エッチングマスク４３は、エッチングマスク４２が除去されてから形成されてもよいし、エッチングマスク４２上に重ねて形成されてもよい。キャビティ４０のエッチング深さは、例えば５０～３００μｍ程度である。
以上のようにキャビティ４０及びグルーブ４１を別工程で形成すれば、エッチングマスク４２及びエッチング深さをそれぞれ適切化できる。このため、グルーブ４１を深く形成することにより、チップサイズの拡大を抑制しつつ、透過ガス滞留室１４での透過ガスの透過速度を低下させることが可能になる。
次に、図１８及び図１９に示すように、エッチングマスク４２などを除去し、キャビティ４０の表面及びグルーブ４１の表面を覆うように酸化を施すことによって、第１シリコン酸化膜１６を形成する（図１２のステップＳ２参照）。第１シリコン酸化膜１６の厚みは、例えば０．１～５μｍ程度である。第１シリコン酸化膜１６は、後工程の第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とが安定して接合できる程度に厚く、かつ、第１シリコン酸化膜１６における透過ガスの透過速度は比較的速いことを考慮して可能な限り薄いことが望ましい。
なお以上の説明では、エッチングマスク４２を除去した後に、第１シリコン酸化膜１６を形成したが、これに限ったものではない。例えば、キャビティ４０及びグルーブ４１を形成するためのエッチングマスク４２が、シリコン酸化膜である場合には、エッチングマスク４２をそのまま残して、第１シリコン酸化膜１６として用いてもよい。この場合、図６及び図７の構成を作成することができる。
また、エッチングマスク４２を除去した後に、第１シリコン酸化膜１６を形成せずに、後工程である接合工程において、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８とが互いに直接接合されてもよい。この場合、図１０及び図１１の構成を作成することができる。ただし、シリコン直接接合は、専用の設備が必要であること、及び、接合面状態の影響が大きいため制御が難しいことなどのデメリットはある。
次に、図２０及び図２１に示すように、第１シリコン酸化膜１６を介して第２シリコン基板１８と第１シリコン基板１７とを貼り合わせて、熱処理することで接合させる（図１２のステップＳ３参照）。これにより、第１凹部であるキャビティ４０は圧力基準室１５を形成し、第２凹部であるグルーブ４１は透過ガス滞留室１４を形成する。上記接合は、真空雰囲気下で行われることにより、圧力基準室１５は真空室となる。真空室である圧力基準室１５内の真空圧力ＰＳが、ダイアフラム１８ａに印加される外部圧力Ｐ１に対する基準圧力となる。同様に透過ガス滞留室１４も真空室となり、互いに隣接する透過ガス滞留室１４の間で圧力差が無くなる。このため、水素などの透過ガスによって透過ガス滞留室１４の圧力がある程度上昇するまで、透過ガス滞留室１４は透過ガスを滞留させることが可能になる。
次に、図２２に示すように、第２シリコン基板１８の厚みを、所望のダイアフラム１８ａの厚みになるように研磨する（図１２のステップＳ４参照）。これにより、第２シリコン基板１８のうち圧力基準室１５上の部分はダイアフラム１８ａとして機能する。ダイアフラム１８ａの厚みを調整することにより、圧力に対する検出感度を制御することができる。
次に、図２３及び図２４に示すように、酸化処理及び写真製版処理を施した後に、不純物注入、アニール処理及び酸化処理を行うことによって拡散配線１１を第２シリコン基板１８に形成する（図１２のステップＳ５参照）。拡散配線１１は、ゲージ抵抗１０を含むホイートストンブリッジを形成するための低抵抗の配線である。例えば、注入する不純物濃度を５ｅ１４～５ｅ１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度に設定し、アニール温度を１０００～１１００℃程度に設定し、１００～５００ｎｍ程度の酸化処理を施すことにより、拡散深さが２～５μｍ程度の低抵抗の拡散層が拡散配線１１として形成される。
次に、同様に酸化処理及び写真製版処理を施した後に、不純物注入及びアニール処理を行うことによって、拡散配線１１に接続されたゲージ抵抗１０を、ダイアフラム１８ａの４辺に形成する（図１２のステップＳ５参照）。これにより、ゲージ抵抗１０を含むホイートストンブリッジが形成される。例えば、ゲージ抵抗１０の形成の際に注入する不純物濃度は、１ｅ１３～１ｅ１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度である。ゲージ抵抗１０の不純物濃度を薄くすると圧力変化に対する感度は高くなるが温度特性は悪くなるため、感度と温特性とのトレードオフにより最適な濃度に設定される。
本実施の形態１では、拡散配線１１及びゲージ抵抗１０の形成時に堆積された酸化膜を全て除去し、その後に、第２シリコン酸化膜１９を第２シリコン基板１８の上面に形成する（図１２のステップＳ６参照）。これにより、ダイアフラム１８ａの上面の第２シリコン酸化膜１９が平坦になり、圧力変化に対するダイアフラム１８ａの変形特性が高められる。第２シリコン酸化膜１９上に図示しないパッシベーション膜としてＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）膜またはＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜が堆積されてもよい。
次に、拡散配線１１から外部へ電気信号を取り出すために、写真製版処理及びエッチング処理を施して、拡散配線１１を露出するコンタクトホールを第２シリコン酸化膜１９に形成する。そして、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、Ａｌ、及び、ＡｌＳｉＣｕなどの金属膜を表面に堆積した後、写真製版処理及びエッチング処理を施して、上記コンタクトホールに電極１２を形成する（図１２のステップＳ６参照）。次に保護膜２０として、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で窒化膜を全面に堆積した後、写真製版処理及びエッチング処理を施す（図１２のステップＳ６参照）。これにより、電極１２などの所望の部分を除く第２シリコン基板１８などが保護膜２０で保護される。
以上によって製造された半導体圧力センサは、圧力基準室１５の真空圧力ＰＳが、ダイアフラム１８ａの上面に印加される外部圧力Ｐ１に対する基準圧力となる絶対圧センサとなる。
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係る半導体圧力センサによれば、断面視において、複数の透過ガス滞留室１４が、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間に圧力基準室１５と離間された状態で密閉され、圧力基準室１５の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設けられている。このような構成によれば、チップサイズを大きくすることなく、水素などの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができるので、半導体圧力センサの特性の変動を抑制することができる。また本実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法によれば、水素などの透過ガスに対して信頼性が高い半導体圧力センサを、簡単な製造プロセスでかつ低コストで製造することができる。
以上のような本実施の形態１に係る半導体圧力センサによれば、断面視において、複数の透過ガス滞留室１４が、第１シリコン基板１７と第２シリコン基板１８との間に圧力基準室１５と離間された状態で密閉され、圧力基準室１５の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設けられている。このような構成によれば、チップサイズを大きくすることなく、水素などの透過ガスが圧力基準室１５に浸透することを抑制することができるので、半導体圧力センサの特性の変動を抑制することができる。また本実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法によれば、水素などの透過ガスに対して信頼性が高い半導体圧力センサを、簡単な製造プロセスでかつ低コストで製造することができる。
なお、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１０ ゲージ抵抗、１４ 透過ガス滞留室、１５ 圧力基準室、１６ 第１シリコン酸化膜、１７ 第１シリコン基板、１８ 第２シリコン基板、１８ａ ダイアフラム、４０ キャビティ、４１ グルーブ。
Claims (6)
- 第１凹部を有する第１シリコン基板と、
前記第１凹部内の第１空間を覆うダイアフラムを有し、前記第１空間を密閉する第２シリコン基板と、
前記ダイアフラムの変形量を電気特性で出力するゲージ抵抗と
を備え、
断面視において、複数の第２空間が、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板との間に前記第１空間と離間された状態で密閉され、前記第１空間の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設けられ、
平面視において、前記複数の第２空間は、前記第１空間を中心とする同心円状に配置され、
前記複数の第２空間のそれぞれは、前記同心円状の周方向に沿って断続的に配置され、
第１円における前記複数の第２空間の断続部分と、前記第１円と隣り合う第２円における前記複数の第２空間の断続部分とは、前記周方向に沿って交互に配置されている、半導体圧力センサ。 - 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
前記第１シリコン基板は、前記複数の第２空間を囲む複数の第２凹部を有し、
前記複数の第２凹部の側面及び底面に設けられ、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とに接続されたシリコン酸化膜をさらに備える、半導体圧力センサ。 - 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
前記第１シリコン基板は、前記複数の第２空間を囲む複数の第２凹部を有し、
前記複数の第２凹部の側面及び底面に設けられずに、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とに接続されたシリコン酸化膜をさらに備える、半導体圧力センサ。 - 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
前記複数の第２空間を囲む穴を有し、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とに接続されたシリコン酸化膜をさらに備える、半導体圧力センサ。 - 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
前記第１シリコン基板は、前記複数の第２空間を囲む複数の第２凹部を有し、
前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とは互いに直接接合されている、半導体圧力センサ。 - 第１シリコン基板に第１凹部を形成する工程と、
第２シリコン基板が前記第１凹部内の第１空間を覆うダイアフラムを有するように前記第１空間を前記第２シリコン基板で密閉し、かつ、断面視において、複数の第２空間を、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板との間に前記第１空間と離間された状態で密閉して前記第１空間の第１端側及び第２端側のいずれかまたはそれぞれに設ける工程と、
前記ダイアフラムの変形量を電気特性で出力するゲージ抵抗を形成する工程と
を備え、
平面視において、前記複数の第２空間は、前記第１空間を中心とする同心円状に配置され、
前記複数の第２空間のそれぞれは、前記同心円状の周方向に沿って断続的に配置され、
第１円における前記複数の第２空間の断続部分と、前記第１円と隣り合う第２円における前記複数の第２空間の断続部分とは、前記周方向に沿って交互に配置されている、半導体圧力センサの製造方法。
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